Como funcionam os processadores de combustível

Galeria de imagens AFV Uma célula de combustível de 250 kW com um reformador de gás natural integrado. Veja fotos de veículos de combustível alternativo. Foto cedida por Ballard Power Systems

-Se você ler o artigo sobre células a combustível, saberá que elas produzem eletricidade a partir do hidrogênio e do oxigênio e emitem apenas vapor. O principal problema com células de combustível movidas a hidrogênio envolve o armazenamento e distribuição de hidrogênio. Veja Como funciona a economia do hidrogênio para obter detalhes. -

-O gás hidrogênio não é um combustível muito denso em energia, o que significa que contém pouca energia por unidade de volume em comparação com um combustível líquido como gasolina ou metanol. Portanto, é difícil colocar gás hidrogênio suficiente em um carro movido a célula de combustível para ter uma autonomia razoável. O hidrogênio líquido tem boa densidade de energia, mas deve ser armazenado em temperaturas extremamente baixas e altas pressões; isso torna o armazenamento e o transporte muito difícil.

-Combustíveis C-ommon como gás natural, propano e gasolina, e menos comuns como metanol e etanol, todos possuem hidrogênio em sua estrutura molecular. Se houvesse uma tecnologia que pudesse remover o hidrogênio desses combustíveis e usá-lo para alimentar a célula de combustível, o problema de armazenamento e distribuição de hidrogênio seria quase totalmente eliminado.

Essa tecnologia está em desenvolvimento. É chamado de processador de combustível, ou um reformador. Nesta edição, aprenderemos como o reformador de vapor trabalho.

Conteúdo

1. O objetivo dos processadores de combustível
2. The Steam Reformer
3. Como o processador de combustível e a célula de combustível funcionam juntos
4. A desvantagem dos processadores de combustível

O trabalho do processador de combustível é fornecer hidrogênio relativamente puro a uma célula de combustível, usando um combustível que esteja prontamente disponível ou facilmente transportável. Os processadores de combustível devem ser capazes de fazer isso de maneira eficiente com um mínimo de poluição - caso contrário, eles negam os benefícios do uso de uma célula de combustível em primeiro lugar.

Para carros, o principal problema é armazenamento de energia. Para evitar tanques de pressão grandes e pesados, um combustível líquido é preferível a um gás. As empresas estão trabalhando em processadores de combustível para combustíveis líquidos como gasolina e metanol. Metanol é o combustível mais promissor no curto prazo; pode ser armazenado e distribuído da mesma forma que a gasolina é agora.

Para residências e geração de energia estacionária, combustíveis como gás natural ou propano são preferidos. Muitas usinas e residências já estão conectadas ao abastecimento de gás natural por gasoduto. E algumas casas que não estão conectadas a linhas de gás têm tanques de propano. Portanto, faz sentido converter esses combustíveis em hidrogênio para uso em células de combustível estacionárias.

Tanto o metanol quanto o gás natural podem ser convertidos em hidrogênio em um reformador de vapor.

Existem alguns tipos de reformadores a vapor, um reformando metanol e o outro reformando gás natural.

Metanol Reformado

A fórmula molecular do metanol é CH₃OH. O objetivo do reformador é remover o máximo de hidrogênio (H) quanto possível a partir desta molécula, minimizando a emissão de poluentes como o monóxido de carbono (CO) O processo começa com a vaporização de metanol líquido e água. O calor produzido no processo de reforma é usado para fazer isso. Esta mistura de metanol e vapor de água é passada através de uma câmara aquecida que contém um catalisador.

Conforme as moléculas de metanol atingem o catalisador, elas se dividem em monóxido de carbono (CO) e gás hidrogênio (H₂):

O vapor d'água se divide em gás hidrogênio e oxigênio; este oxigênio se combina com o CO para formar CO₂. Desta forma, muito pouco CO é liberado, já que a maior parte é convertido em CO₂.

Reforma do gás natural

O gás natural, que é composto principalmente de metano (CH₄), é processado usando uma reação semelhante. O metano no gás natural reage com o vapor de água para formar monóxido de carbono e gases de hidrogênio.

Assim como ao reformar o metanol, o vapor de água se divide em gás hidrogênio e oxigênio, o oxigênio se combinando com o CO para formar CO₂.

Nenhuma dessas reações é perfeita; algum metanol ou gás natural e monóxido de carbono passam sem reagir. Estes são queimados na presença de um catalisador, com um pouco de ar para fornecer oxigênio. Isso converte a maior parte do CO restante em CO₂, e o metanol restante para CO₂ e água. Vários outros dispositivos podem ser usados ​​para limpar quaisquer outros poluentes, como enxofre, que podem estar na corrente de exaustão.

É importante elimine o monóxido de carbono da corrente de exaustão por dois motivos: primeiro, se o CO passar pela célula de combustível, o desempenho e a vida útil da célula de combustível serão reduzidos; em segundo lugar, é um poluente regulamentado, então os carros só podem produzir pequenas quantidades dele.

- Para criar energia, vários sistemas devem trabalhar juntos para fornecer a saída elétrica necessária. Um sistema típico consistiria em um carga elétrica (como uma casa ou um motor elétrico), um célula de combustível e um processador de combustível.

Vejamos o caso de um carro movido a célula de combustível. Quando você pisa no pedal do acelerador (hidrogênio), várias coisas acontecem quase ao mesmo tempo:

• O controlador do motor elétrico começa a fornecer mais corrente ao motor elétrico, e o motor elétrico gera mais torque.
• Na célula a combustível, mais hidrogênio é reagido, produzindo mais elétrons, que passam pelo motor elétrico e controlador, acompanhando o aumento da demanda de energia.
• O processador de combustível começa a bombear mais metanol por meio de seu sistema, o que cria mais hidrogênio. Outra bomba aumenta o fluxo de hidrogênio indo para a célula de combustível.

Uma sequência semelhante de eventos acontece em sua casa quando você aumenta repentinamente a demanda elétrica. Por exemplo, quando o ar condicionado liga, a saída de potência da célula de combustível tem que aumentar rapidamente, ou então as luzes irão diminuir até que a célula de combustível possa atender a demanda.

Os processadores de combustível também têm desvantagens, incluindo poluição e combustível geral eficiência.

Poluição

Embora os processadores de combustível possam fornecer gás hidrogênio a uma célula de combustível, produzindo muito menos poluição do que um motor de combustão interna, eles ainda produzem uma quantidade significativa de dióxido de carbono (CO₂) Embora esse gás não seja um poluente regulamentado, suspeita-se que ele contribua para o aquecimento global.

Se o hidrogênio puro for usado em uma célula de combustível, o único subproduto será a água (na forma de vapor). Sem CO₂ ou qualquer outro gás é emitido. Mas porque os carros movidos a células de combustível que usam processadores de combustível emitem pequenas quantidades de poluentes regulamentados, como monóxido de carbono, eles não serão qualificados como veículos com emissões zero (ZEVs) sob as leis de emissões da Califórnia. No momento, as principais tecnologias que se qualificam como ZEVs são o carro elétrico movido a bateria e o carro a célula combustível movido a hidrogênio.

Em vez de tentar melhorar os processadores de combustível a ponto de não emitir poluentes regulamentados, algumas empresas estão trabalhando em novas maneiras de armazenar ou produzir hidrogênio no veículo. A Ovonic está desenvolvendo um dispositivo de armazenamento de hidreto de metal que absorve hidrogênio de forma semelhante à que uma esponja absorve água. Isso elimina a necessidade de tanques de armazenamento de alta pressão e pode aumentar a quantidade de hidrogênio que pode ser armazenada em um veículo.

A Powerball Technologies quer usar pequenas bolas de plástico cheias de hidreto de sódio, que produzem hidrogênio quando abertas e jogadas na água. O subproduto desta reação, hidróxido de sódio líquido, é um produto químico industrial comumente usado.

Eficiência

Outra desvantagem do processador de combustível é que ele diminui a eficiência geral do carro com célula de combustível. O processador de combustível usa calor e pressão para ajudar nas reações que separam o hidrogênio. Dependendo dos tipos de combustível usados ​​e da eficiência da célula de combustível e do processador de combustível, a melhoria da eficiência em relação aos carros convencionais movidos a gasolina pode ser bastante pequena. Veja esta comparação das eficiências de um carro movido a célula de combustível, um carro movido a gasolina e um carro elétrico.

Para mais informações, confira os links na próxima página.

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